DE68913664T2

DE68913664T2 - Selbstregulierender Heizelement-Trägerstreifen.

Info

Publication number: DE68913664T2
Application number: DE68913664T
Authority: DE
Inventors: Homer Ernst Henschen; Michael John Mckee; Joseph Michael Pawlikowski
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1989-11-06
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2009-11-07
Also published as: JP2789117B2; EP0371630A1; KR900008720A; DE68913664D1; KR0150443B1; US5032703A; CA1333086C; JPH02192875A; EP0371630B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Anschließen mehrerer elektrischer Leitungen an mehreren elektrischen Anschlüssen. Obwohl die nachstehende Beschreibung Lötmaterial als das bevorzugte schmelzbare Verbindungsmittel angibt, ist zu beachten, daß jedes geeignete schmelzbare Material wie beispielsweise dotierter Kunststoff verwendet werden kann.
Es ist im Stand der Technik bekannt, die einzelnen Leiter eines Bandkabels (d.h. ein Kabel mit parallelen Leitern in nebeneinanderliegender Ausrichtung) im Wege der Isolation-Verdrängungs- oder -Durchstoßungstechniken wie in dem US-Patent 3 820 055 beschrieben anzuschließen. Diese Techniken sind jedoch dadurch mit Einschränkungen verbunden, daß sie für geflochtene Drähte und Drähte mit einer hohen Stromführungskapazität verhältnismäßig unzuverlässig sind. Eine weitere bekannte Anschließtechnik umfaßt das Abisolieren der Isolierung von den einzelnen Leitern und das Ankrimpen der Leiter an jeweiligen Anschlüssen. Jedoch ist diese Technik ziemlich zeitaufwendig und nicht für Leiter geeignet, die sehr eng beabstandet sind.
Das Anlöten einzelner Kabelleitungen an jeweiligen Anschlüssen kann mittels einer Vielzahl bekannter Verfahren und Einrichtungen erreicht werden. Am wenigsten erwünscht von diesen ist das manuelle Anlöten jedes Anschlusses und jeder Leitung, weil die sich ergebenden, wiederholten Lötarbeiten zeitaufwendig und kostspielig sind. Wenn eine große Anzahl von Leitungen eines gemeinsamen Kabels anzulöten ist, muß des weiteren mit großer Sorgfalt gearbeitet werden, um eine unbeabsichtigte Wärmeaufbringung von dem Lötwerkzeug auf die zuvor verlöteten Bauteile zu verhindern, was zu einer Schwächung oder Zerstörung der Lötverbindung führt.
Bekannte Lötverfahren zur gleichzeitigen Ausbildung von Mehrfachlötverbindungen machen von einem Lötwerkzeug Gebrauch, um die notwendige Wärmeenergie über ei nem großen durchgehenden Bereich, der alle Verbindungsstellen umfaßt, zu liefern. Bei seiner Energieversorgung heizt sich das Lötwerkzeug auf, bis es eine Steuertemperatur (d.h. die Temperatur, bei der das Lötmaterial schmilzt) überschreitet, bevor es sich auf diese Temperatur abkühlt. Die Steuertemperatur ist typischerweise etwas oberhalb der idealen Löttemperatur gewählt, um weniger als die ideale Wärmeenergieübertragung auszugleichen. Dieser Näherungsversuch für die Wärmeenergieversorgung ist mit einer Anzahl von Nachteilen verbunden. Beispielsweise ist die auf Räume zwischen den Verbindungsstellen zur Einwirkung gebrachte Wärmeenergie verschwendet. Ein weiterer Nachteil besteht in der Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Bauteile, die sich aus einer Überhitzung ergibt. Insbesondere kann die dem Heizwerkzeug inhärente thermische Überhitzung zu einer Beschädigung der Bauteile führen, die zwischen den Verbindungsstellen innerhalb des durch das Werkzeug aufgeheizten Bereichs angeordnet sind. In einigen Fällen kann die Überhitzung eine Beschädigung der an der Verbindungsstelle miteinander zu verbindenden Bauteile bewirken. Es ist verlockend, vorzuschlagen, daß die Bedienungsperson des Lötwerkzeugs die thermische Überhitzung verhindern könnte entweder durch Entfernen des Werkzeugs vor dem Auftreten der Überhitzung oder durch Verzögern des Aufbringen des Werkzeugs bis nach dem Auftritt der Überhitzung. Dies ist aus einer Anzahl von Gründen unpraktisch. Zum ersten gibt es kein Beweisanzeichen dafür, wann die thermische Überhitzung auftritt. Obwohl die Werkzeugaufwärmzeit ziemlich lang ist, ist zum zweiten die Zeitspanne, während der die Werkzeugtemperatur zum Schmelzen des Lötmaterials ausreicht, jedoch vor der Überhitzung, zu kurz, um die Lötarbeit zuverlässig abzuschließen. Bleibt das Lötwerkzeug auf seiner Beharrungstemperatur mit Energie versorgt, so ist dies andererseits teuer und mit einer Energieververschendung verbunden. Wenn das Lötwerkzeug auch dazu verwendet wird, einen Druck auf die Verbindungsstelle auszuüben, muß der Strom abgeschaltet werden, nachdem das Lötmaterial geschmolzen ist, und wird Druck aufgebracht, bis sich das Lötmaterial verfestigt.
Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung zu schaffen, die von einer Drahtanschließtechnik Gebrauch macht, die zuverlässiger als die Isolationsverdrängung ist und weniger Zeit in Anspruch nimmt als das Einzel-Krimpanschließen von Leitern an Anschlüssen. Diese Vorrichtung sollte das gleichzeitige Anlöten von mehreren Anschlüssen an mehreren Leitungen an jeweiligen Verbindungsstellen ohne Aufbringen von Wärmeenergie auf die Räume zwischen diesen Stellen gestatten. Des weiteren ist es wünschenswert, daß die zum Schmelzen des Lötmaterials benötigte Wärmeenergie tatsächlich augenblicklich nach der Energieversorgung des Heizelements verfügbar ist und daß das Heizelement in Hinblick darauf ausgebildet ist, nicht mehr Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen als zum Schmelzen des für die verschiedenen Verbindungsstellen benötigten Lötmaterials erforderlich ist.
Es ist im Stand der Technik bekannt, Vielzahl von elektrischen Anschlüssen, die in einer Stanzpresse aus einem fortlaufenden Metallstreifen gestanzt und gebildet werden, mit einem Bereich des Metallstreifens auszustatten, der einstückig mit jedem der Anschlüsse bleibt, um als Trägerstreifen zu dienen, entlang dessen die Anschlüsse beabstandet angeordnet sind. Der einstückige Trägerstreifen gestattet eine Förderung der Anschlüsse in aufeinanderfolgender Beziehung durch eine Einsetzmaschine, die typischerweise eine Schneidestation aufweist, an der die Anschlüsse von dem Streifen entfernt werden, und eine Einsetzstation, an der die entfernten Anschlüsse in eine gedruckte Leiterplatte, ein Verbindergehäuse oder ein anderes Arbeitsstück eingesetzt werden, in denen die Anschlüsse entweder angeordnet oder enthalten sind. Wenn die Anschlüsse so eingesetzt sind, werden sie an den einzelnen Drähten von Kabeln und dergleichen angelötet. Es ist auch bekannt, wie in dem US-Patent 4 021 095 (Kinkaid et al) beschrieben ist, eine Vielzahl von Trägerstreifen vorzusehen, die unmittelbar vor ihrer gleichzeitigen Zuführung zu einer Einsetzmaschine zusammengestapelt werden können. Die gestapelten Trägerstreifen sind gegenseitig derart versetzt, daß ihre Anschlüsse mit einem engeren Abstand angeordnet sind als die Anschlüsse entlang irgendeines von gestapelten Trägerstreifen. Die vorliegende Erfindung macht vorteilhaften Gebrauch von diesem Trägerstreifenkonzept parallel geschalteter Anschlüsse. Die vorliegende Erfindung macht auch Gebrauch von einer verhältnismäßig neuen Technologie eines automatischen, selbstregulierenden Heizelements offenbart in den US-Patenten 4 256 945 (Carter et al), 4623 401 (Derbyshire et al), 4 659 912 (Derbyshire), 4 695 713 (Krumme), 4 701 587 (Carter et al), 4 717 814 (Krumme) und 4 745 264 (Carter). Die Offenbarungen dieser Patente werden ausdrücklich durch Bezugnahme hier aufgenommen. Ein entsprechend dieser Technologie gestaltetes Heizelement, nachfolgend als selbstregulierendes Heizelement bezeichnet, macht von einem Substrat aus Kupfer, Kupferlegierung oder einem anderen Material mit niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand, vernachlässigbarer magnetischer Permeabilität und hoher thermischer Leitfähigkeit Gebrauch. Eine dünne Schicht eines wärmeleitenden, magnetischen Materials ist auf der gesamten Oberfläche des Substrats oder einem Teil einer Oberfläche des Substrats aufgebracht, wobei das magnetische Material typischerweise eine Eisen-, Nickel- oder Nickel/Eisen-Legierung oder dergleichen mit einem viel größeren elektrischen Widerstand und einer viel größeren magnetischen Permeabilität als das Substratmaterial ist. Ein Hochfrequenzwechselstrom mit konstanter Amplitude wird durch das Heizelement hindurchgeführt und als Folge des Hauteffektphänomens anfänglich in der dünnen Legierungsschicht konzentriert. Wenn die Temperatur dieser Schicht die Curie-Temperatur der Legierung erreicht, nimmt die magnetische Permeabilität der Schicht drastisch ab, wodurch die Hauttiefe deutlich vergrößert wird, so daß sich das Stromdichteprofil in das nicht-magnetische Substrat niedrigen spezifischen Widerstands ausdehnt. Die Gesamtfolge ist ein niedrigerer Widerstand und ein geringerer Wärmeverlust. Wenn Wärmesenken oder -verbraucher in Berührung mit dem Heizelement an unterschiedlichen Steilen entlang der Heizelementlänge angeordnet werden, wird Wärmeenergie an die Verbraucher an diesen Stellen mit der Folge übertragen, daß die Temperatur an diesen Stellen nicht auf die Legierungs-Curie-Temperatur so schnell wie an den verbraucherfreien Stellen ansteigt. Der Strom mit konstanter Amplitude bleibt in der Legierungsschicht mit größerem Widerstand an den Verbraucherstellen konzentriert, die erheblich mehr Widerstandsheizenergie verlieren als die verbraucherfreien Stellen, an denen der Strom in dem Substrat niedrigen Widerstands verteilt ist.
Die vorliegende Erfindung besteht in einer Lötvorrichtung zur Erleichterung der Anschließung eines elektrischen Leiters an einem jeweiligen Anschluß an einer Verbindungsstelle, der Art, die ausreichende Wärmeenergie zum Schmelzen einer vorbestimmten Menge eines schmelzbaren, elektrisch leitfähigen Materials an der Stelle liefert, wobei die Lötvorrichtung einen selektiv betätigbaren Heizkörper zum Zuführen der mindestens ausreichenden Wärmeenergie aufweist, der Heizkörper ein Substrat aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material mit einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und einer verhältnismäßig niedrigen magnetischen Permeabilität, wobei das Substrat eine erste Oberfläche besitzt, und eine dünne Oberflächenschicht aus einem elektrisch leitfähigen zweiten Material aufweist, die auf mindestens einem Bereich der ersten Oberfläche angeordnet ist, wobei das zweite Material einen spezifischen elektrischen Widerstand, der größer als der des ersten Materials ist, und eine magnetische Permeabilität aufweist, die bei Temperaturen unterhalb seiner Curie-Temperatur im wesentlichen größer als die relativ niedrige magnetische Permeabilität und bei Temperaturen oberhalb seiner Curie-Temperatur im wesentlichen dieselbe wie die relativ niedrige magnetische Permeabilität ist, wobei die Lötvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Anschluß einer Vielzahl von Anschlüssen anfänglich strukturell einstückig mit einem gemeinsamen Heizkörper an beabstandeten Stellen ausgebildet ist und in thermisch leitfähiger Beziehung mit diesem steht, wobei jeder Anschluß einen Wärmeenergieleitweg von dem Heizkörper zu der jeweiligen Verbindungsstelle aufweist, so der Heizkörper Wärmeenergie an eine Vielzahl der Verbindungsstellen liefert, was das gleichzeitige Anschließen einer Vielzahl von elektrischen Leitern an die jeweiligen Anschlüsse gleichzeitig ermöglicht.
In der EP-A-0 241 597 ist eine elektrische Schaltung offenbart, die eine elektrische Stromquelle, einen elektrischen Verbinder, der ein schmelzbares Material enthält, und einen in dem Verbinder angeordneten Draht umfaßt. Der Verbinder ist an der Stromquelle angeschlossen, damit der Verbinder über die Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials erhitzt wird, um das Material in Berührung mit dem Verbinder und dem Draht fließen zu lassen. Mittel einschließlich Verbinders, sind zur Regelung der Hitze des Verbinders auf etwa die Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials vorgesehen. Der Verbinder kann außenseitig mit einem ferromagnetischen Material mit einer Curie-Temperatur nahe der Schmelztemperatur des schmelzbaren Materials beschichtet sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer selbstregulierenden Heizelementanordnung in der Form eines Trägerstreifens für elektrische Anschlüsse, gestaltet in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 1, wobei jedoch die elektrischen Leiter an jeweiligen Anschlüssen als Teil eines Lötarbeitsgangs angeordnet werden;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Heizelementanordnung der Fig. 1 entlang der Linie 3-3 der Fig. 1;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer selbstregulierenden Heizelementanordnung in der Form eines Trägerstreifens gestaltet in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 einen Längsschnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 4;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine weitere selbstregulierende Heizelementanordnung in der Form eines Trägerstreifens der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines selbstregelnden Heizelements in der Form eines Trägerstreifens gestaltet in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 der Fig. 7;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer selbstregulierenden Heizelementanordnung in der Form eines Trägerstreifens gestaltet in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine noch weitere Ausführungsform einer selbstregulierende Heizelementanordnung in der Form eines Trägerstreifens gestaltet in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 einen Längsschnitt durch eine zusätzliche Ausführungsform einer selbstregulierenden Heizelementanordnung in der Form eines Trägerstreifens gestaltet in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht der Heizelementanordnung beispielsweise der Fig. 1, wobei ihre Anschlüsse in einem Verbindergehäuse vor einem Lötarbeitsgang teilweise aufgenommen sind;
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht einer weiteren selbstregulierenden Heizelementanordnung mit einem Einzelanschluß in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 eine Ansicht des an einem Draht 117 angeschlossenen Anschlusses der Fig. 13.
Gemäß Fig. 1-3 der beigefügten Zeichnungen ist ein Anschlußträgerstreifen 10 aus zwei automatisch selbstregulierenden Heizelementabschnitten 13, 15 gebildet, die an die gegenüberliegenden Seiten eines Streifens 11 aus einem Isoliermaterial wie Kapton angeordnet sind. Der Heizelementabschnitt 13 weist ein längliches, rechteckiges Substrat 17 aus Kupfer, Kupferlegierung, Phospor-Bronze, Berylliumkupfer, Messing oder einem anderem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit (d.h. niedrigem spezifischen Widerstand) und einer vernachlässigbaren magnetischen Permeabilität (d.h. einer Permeabilität von oder nahe bei Eins) auf.
Das Substratmaterial muß auch ein guter thermischer Leiter sein. Das Substrat 17 besitzt typischerweise, obwohl nicht notwendigerweise, eine Länge viel größer als seine Breite, die ihrerseits viel größer als seine Dicke ist. Typischerweise ist die Längenabmessung durch eine besondere Anwendung bestimmt, wodurch ein sehr langer Streifen zu einer Länge für diese Anwendung zugeschnitten wird. Die Breitenabmessung des Substrats 17 ist im allgemeinen die gleiche wie die Breiten, die im allgemeinen für Anschlußträgerstreifen verwendet werden, und kann im Größenbereich von 2,54 mm bis 6,35 mm (1/10 bis 1/4 Zoll) liegen. Typischerweise liegt die Dicke des Substrats im Größenbereich von 0,2032 mm (0,008 Zoll). Es ist zu beachten, daß die in Fig. 1 dargestellte rechteckige Substratkonfiguration nur eine beispielhafte Konfiguration ist, die für Trägerstreifen zweckmäßig ist, und daß im wesentlichen jede Konfiguration, die mit den hier beschriebenen Prinzipien vereinbar ist, verwendet werden kann. Obwohl der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Heizelementkörper beispielsweise in höchst zweckmäßiger Weise als Trägerstreifen konfiguriert ist, der auf Vorratsrollen oder dergleichen aufgerollt werden kann, betrifft das Wesen der Erfindung einen Heizelementkörper mit daran in thermisch leitender Beziehung befestigten Anschlüssen, so daß Wärmeenergie für eine Lötarbeit der Verbindungsstelle über den Anschluß selbst direkt zugeführt werden kann. Bei Berücksichtigung dieser weitgefaßten Begriffe kann die Gesamtstruktur der Heizelementabschnitte und Substrate im wesentlichen jede Konfiguration haben.
Eine Schicht 19 eines magnetischen Materials ist auf einer Oberfläche des Substrats 17 aufgebracht oder anderweitig angeordnet. Typischerweise wird ein Walzplattierverfahren angewendet, mittels dessen die Schicht des magnetischen Materials auf dem Substrat abgelegt wird, wonach sie einem hohen Druck und Temperatur ausgesetzt werden, was die beiden Materialien an der Grenzschicht zusammen diffundieren läßt, jedoch können andere Verfahren wie beispielsweise Plattieren oder Sputterabscheiden angewandt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schicht 19 über der gesamten Substratoberfläche angeordnet, die einer Isolierschicht 11 zugewandt ist; jedoch kann wie nachfolgend beschrieben die Schicht 19 mit einer typischen Dicke von 0,0508 mm (0,002 Zoll) auch nur auf ausgewählten Oberflächenbereichen angeordnet werden. Ein typisches Material für die Schicht 13 ist Nickel, Eisen oder eine Nickel/Eisen-Legierung, beispielsweise die Legierung 42 (42 % Nickel, 58 % Eisen) oder die Legierung 42-6 (42 % Nickel, 6 % Chrom, 52 % Eisen); jedoch kann die Schicht 19 auch aus irgendeinem Metall oder einer Legierung mit den hier beschriebenen Eigenschaften bestehen. In Abhängigkeit von dem besonderen Material liegt die typische magnetische Permeabilität für die Schicht 19 im Bereich von 50 bis mehr als 1000 im Vergleich zu einer Permeabilität von 1 für Kupfer. Der spezifische elektrische Widerstand der Schicht 19 liegt normalerweise im Bereich von 20 bis 90 Mikroohm je Zentimeter im Vergleich zu 1,72 für Kupfer. Die Dicke der Schicht 19 mißt typischerweise eine Hauttiefe. In dieser Hinsicht übernehmen das Substrat 17 und die Schicht 19, wenn sie mit Energie versorgt sind, indem ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude hindurchgeführt wird, die Aufgabe eines selbstregulierenden Heizelements. Insbesondere für Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur des Materials der Schicht 19 werden etwas mehr als 63 % des durch das Heizelement fließenden Stroms konstanter Amplitude in einer Hauttiefe von der Heizelementoberfläche aus konzentriert. Die Hauttiefe ist proportional der Quadratwurzel des spezifischen Materialwiderstandes und umgekehrt proportional der Quadratwurzel des Produktes aus der magnetischen Permeabilität des Materials 13 und der Frequenz des durch das Heizelement fließenden Wechselstroms. Bei Temperaturen gleich oder oberhalb der Curie-Temperatur des Materials der Schicht 19 fällt die magnetische Permeabilität des Materials auf etwa diejenige des Substratmaterials (d.h. eine Permeabilität von 1 für Kupfer) ab, wodurch eine drastische Zunahme der Hauttiefe bewirkt wird. Folglich wird viel mehr Strom konstanter Amplitude in dem Substrat 17 niedrigeren spezifischen Widerstands als in der Schicht 19 höheren Widerstands verteilt mit der Folge, daß erheblich weniger Wärme verlorengeht. Wenn ausgewählte Stellen des Heizelementkörpers mit Wärmeenergie absorbierenden Verbrauchern (beispielsweise Wärmesenken) in Berührung stehen, steigt in bedeutsamer Weise die Temperatur an diesen Stellen des Heizelementkörpers nicht so leicht an wie an den verbraucherfreien Stellen. Es ist daher möglich, den Strom konstanter Amplitude in der Schicht 19 in einem größeren Ausmaß an den Verbraucherstellen (d.h. wo die Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur für die Schicht 19 liegt) zu konzentrieren als an den verbraucherfreien Stellen (d.h. wo die Temperatur gleich der Curie-Temperatur des Materials der Schicht 19 ist). Die Curie-Temperatur der Materialien kann im Bereich von 50ºC bis 1000ºC liegen; für die Schicht 19 verwendete typische Materialien besitzen eine Curie-Temperatur im Bereich von 200ºC bis 500ºC in Abhängigkeit von dem verwendeten Lötmaterial oder anderweitigem schmelzbaren Material. Ein typisches Lötmaterial besteht aus 63% Zinn, wobei der Rest Blei ist, mit einem Schmelzpunkt von 183ºC.
Eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse 20 erstreckt sich von einem Längsrand des Substrats 17 aus in beabstandeter Beziehung. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind zwei Anschlüsse 20 dargestellt, wobei es selbstverständlich ist, daß jede Anzahl von Anschlüssen vorgesehen werden kann in Abhängigkeit von der gewählten Länge des Substrats 17 und der Anzahl der an Anschlüssen anzulötenden Leitungen. Das distale Ende jedes Anschlusses 20 ist wie notwendig konfiguriert, um sein Einsetzen und seine Verbindung innerhalb eines Werkstücks, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte, einem Verbindergehäuse oder dergleichen, zu erleichtern. Zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende jedes Anschlusses 20 ist ein Lötmaterialschalen- oder Muldenbereich 22 zur Aufnahme der Spitze eines an dem Anschluß anzulötenden Drahts konfiguriert. Jede Lötmaterialschale 22 ist durch ein Paar einander gegenüberliegender Flansche begrenzt, die sich quer und nach oben von der Ebene des Anschlusses aus erstrecken. Zwischen der Lötmaterialschale 22 und dem Substrat 17 besitzt jeder Anschluß 20 eine Kerb- oder Perforationslinie 24, die das Entfernen des Anschlusses vom Substrat 17 nach einer Lötarbeit erleichtert.
Der zweite Heizelementabschnitt 15 ist im wesentlichen identisch zu dem Heizelementabschnitt 13 und besitzt ein Substrat 27 mit einer magnetischen Hautschicht 29. Das Substrat 27 besteht aus dem gleichen Material wie das Substrat 17, während die Schicht 29 aus dem gleichen Material besteht, das für die Schicht 19 verwendet ist. Die Funktionsweise der Heizelementanordnung 15 ist im wesentlichen identisch zu der Funktionsweise der Heizelementanordnung 13. Das Substrat 27 besitzt typischerweise die gleichen Abmessungen wie das Substrat 17 und ist auf der gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht 11 angeordnet, wobei seine Längsränder mit den Längsrändern des Substrats 17 fluchten. Die beiden Oberflächenschichten 19 und 29 liegen an gegenüberliegenden Oberflächen der Isolierschicht 11 an.
Eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse 21 erstreckt sich von einem Längsrand des Substrats 27 aus in beabstandeter Beziehung. Der Rand des Substrats 27, von dem aus sich die Anschlüsse 21 erstrecken, fluchtet mit dem Rand des Substrats 17, von dem aus sich die Anschlüsse 20 erstrecken, wodurch die Anschlüsse 20 und die Anschlüsse 21 entlang desselben Randes der Trägerstreifenanordnung 10 angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Anschlüssen 20 ist im wesentlichen der gleiche wie der Abstand zwischen den Anschlüssen 21 und ist ein solcher, daß die Anschlüsse 20 und 21 parallel geschaltet sind und der Längsabstand zwischen den Anschlüssen 20 und 21 entlang der Länge des Streifens 10 gleichmäßig ist. Jeder Anschluß 21 besitzt eine Lötmaterialmulde oder eine Lötmaterialschale 23 identisch zu den Lötmaterialmulden 22 der Anschlüsse 20. Des weiteren sind Kerblinien oder Perforationen 25 an den Anschlüssen 21 vorgesehen, um die Abtrennbarkeit der Anschlüsse von der Trägerstreifen/Heizelement-Anordnung 10 nach einer Lötarbeit zu erleichtern.
Jeder Anschluß 20, 21 steht in einer wärmeleitenden Beziehung zu seinem jeweiligen Substrat 17, 27, so daß die Anschlüsse in den entsprechenden Heizelementabschnitten 13, 15 entwickelte Wärmeenergie zu einer jeweiligen Verbindungsstelle führen können, wo eine Lötarbeit durchzuführen ist. Die Anschlüsse können durch Stanzen oder dergleichen als einstückige Teile ihrer jeweiligen Substrate 17, 27 ausgebildet sein. Wie am besten in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Trägerstreifenanordnung 10, die auch als Heizelement dient, mit einer Vielzahl von in Längsrichtung beabstandeten Führungslöchern 26 ausgestattet sein, die durch ihre Dickenabmessung (d.h. durch beide Heizelementabschnitte 13 und 15 und durch die Isolierschicht 11) begrenzt sind, um das Handhaben des Streifens während der automatisierten Arbeitsgänge zu erleichtern.
Wie am besten in Fig. 2 dargestellt ist, können freigelegte Leitersegmente 30 von elektrischen Mehrfachleitungen oder -drähten in den Lötmulden 22, 23 angeordnet sein, um Verbindungsstellen für eine Lötarbeit zu definieren. Die freigelegten Leitersegmente 30 erstrecken sich quer zur Längsabmessung der Trägerstreifen/Heizelement-Anordnung 10 und können eine vorbestimmte Menge darauf aufgebrachten Lötmaterials aufweisen. Alternativ kann die vorbestimmte Menge des Lötmaterials 9 in den Lötmaterialmulden 22, 23 aufgebracht sein. Als eine weitere Alternative kann die benötigte vorbestimmte Menge des aufgebrachten Lötmaterials zwischen den Mulden 22, 23 und den freigelegten Leitersegmenten 30 der Leitungen verteilt sein, die Teil eines gemeinsamen Kabels oder einzelne Drähte sein können. Nachdem die freigelegten Leitersegmente 30 mit den jeweiligen Lötmaterialmulden 22, 23 in Berührung gebracht sind, kann die Heizelementanordnung in der nachfolgend beschriebenen Weise betätigt werden. Gemäß Fig. 3 ist eine Quelle 31 für einen Wechselstrom mit konstanter Amplitude zwischen einem Heizelementabschnitt 13 und einem Heizelementabschnitt 15 an einem Längsende der Anordnung 10 angeschlossen. Die Quelle 31 ist selektiv betätigbar, und es wird angenommen, obwohl dies nur schematisch dargestellt ist, daß sie eine geeignete Impendanzanpaßschaltung umfaßt, die zum Anpassen der Impedanz der Heizelementanordnung 10 ausgebildet ist. Die Quelle 31 kann irgendeine geeignete Wechselstromversorgung mit konstanter Amplitude sein, und eine beispielhafte Quelle ist in dem US-Patent 4 626 767 (Clappier et al) offenbart, die das benötigte Wechselstromsignal konstanter Amplitude im Funkfrequenzbereich liefert. In am meisten üblicher Weise liegt die Frequenz des Betätigungssignals bei 13,56 MHz; die konstante Amplitude des Signals ist zur Bewirkung der gewünschten Heizleistung gewählt.
An einer Stelle entlang der Anordnung 10 in Längsrichtung von der Anschließquelle 31 entfernt ist ein Draht oder ein anderes Kurzschlußelement 33 vorgesehen, das die Heizelementabschnitte 13 und 15 miteinander verbindet. Der Strom fließt durch die Anordnung 10 daher zu jedem Zeitpunkt in in Längsrichtung entgegengesetzten Richtungen in dem Heizelementabschnitt und dem Heizelementabschnitt 15. Das sich ergebende elektrische Feld ist zwischen den Abschnitten 13 und 15 über der Isolierschicht 11 durch den entgegengesetzt gerichteten Strom aufgebaut, um den Stromfluß durch die Anordnung 10 in den Oberflächenschichten 19 und 29 mit hohem Widerstand statt in der Außenfläche der Substrate mit niedrigem Widerstand zu konzentrieren. Da die Stromamplitude konstant gehalten ist, ist es wünschenswert, zur Bewirkung einer optimalen Heizung den Strom in den Schichten 19, 29 der Heizelementanordnung mit höherem Widerstand statt in den Substraten 17, 27 mit niedrigem Widerstand zu konzentrieren. Insbesondere ist die Widerstandsheizung mit dem konstant gehaltenen Strom größer, wenn der Stromweg einen höheren Widerstand aufweist. Das durch den entgegengesetzt gerichteten Stromfluß in den beiden Heizelementabschnitten entwickelte elektrische Feld stellt sicher, daß der Strom in der Heizelementanordnung in den Oberflächenbereichen hohen Widerstands der beiden Heizelementabschnitte konzentriert ist.
Die sich aus der Widerstandsheizung ergebende Wärmeenergie wird zu den verschiedenen Verbindungsstellen mittels der Anschlüsse 20, 21 selbst geführt, um das Lötmaterial zu schmelzen, das in vorbestimmten Mengen an den Leiterbereichen 30 mit freigelegtem Draht oder an den Anschlußlötmaterialmulden 22, 23 aufgebracht ist. Die Menge des Lötmaterials ist in Übereinstimmung mit der Menge vorbestimmt, die notwendig ist, um eine mechanisch starke und elektrisch leitende Lötverbindung an jeder Verbindungsstelle zu bewirken.
Die Trägerstreifenanordnung 10, die auch die Funktion eines Heizelements erfüllt, kann von den Anschlüssen 20, 21 abgebrochen werden, nachdem sich das Lötmaterial verfestigt hat. Dieses Abbrechen wird bewirkt, indem die Anordnung 10 gegenüber den Anschlüssen 20, 21 entlang der Kerb- oder Perforationslinien 24, 25 gebogen wird. Wenn die Heizelementanordnung 10 von den Anschlüssen entfernt worden ist, sind die Anschlüsse nicht länger strukturell zusammengehalten, sondern dienen sie stattdessen als Anschließungen für die einzelnen freigelegten Leiterbereiche 30 der Drähte oder Leitungen. Es ist selbstverständlich, daß für bestimmte Anwendungen der Heizelementkörper von den Anschlüssen nicht abgetrennt werden muß. Eine solche Anwendung ist die, bei der mehrere Massedrähte zusammen an einem Anschlußblock kurzzuschließen sind.
In Abhängigkeit von der Art der an den Drähten oder Leitungen verwendeten Isolierung und der Größe der in der Anordnung 10 entwickelten Wärmeenergie kann es wünschenswert sein, die Anordnung 10 gegenüber den Anschlüssen 20, 21 entlang der Kerblinien 24, 25 vor der Stromversorgung mittels der Quelle 31 zur Ausführung eines Lötarbeitsgangs abzubiegen. Dieses Abbiegen, das in Fig. 2 mittels gestrichelter Linien dargestellt ist, macht es möglich, daß die Anordnung 10 von den isolierten Bereichen der Drähte oder Leitungen wegbewegt wird, um ein Aufheizen der Drähte oder Leitungen außer über die Lötmaterialmulden zu verhindern.
Die Art der Anordnung 10 ist eine solche, daß das Widerstandsheizen nur dort stattfindet, wo es zur Ausführung der Lötarbeitsgänge benötigt wird. Insbesondere fließt der Strom durch die Anordnung 10 in Längsrichtung, und trifft er dadurch abwechselnd auf Bereiche, von denen aus die Anschlüsse vorstehen, und auf Bereiche, die Räumen zwischen den Anschlüssen entsprechen. Die in Bereichen nahe den Anschlüssen entwickelte Wärmeenergie wird zu den jeweiligen Verbindungsstellen mittels der Anschlüsse geführt, wodurch die Temperatur in jenen Bereichen an einem schnellen Aufbau gehindert ist. Andererseits steigt die Temperatur in den Raumbereichen schnell, bis sie die Curie-Temperatur des Materials der Schichten 19, 29 erreicht, wobei die effektive Hauttiefe in diesen Bereichen drastisch vergrößert wird. Dies bewirkt, daß mehr Strom durch das Substratmaterial mit niedrigem Widerstand in diesen Bereichen fließt und hier folglich weniger Wärmeenergie erzeugt wird. Die Bereiche nahe den Anschlüssen 20, 21 entwikkeln weiter große Mengen Wärmeenergie, die den jeweiligen Verbindungsstellen zugeführt wird. Eine Überhitzung der Verbindungsstellen ist durch den gleichen Mechanismus verhindert; d.h. wenn die Temperatur an der Verbindungsstelle eine bestimmte Höhe erreicht, endet die Wärmezuführung von dem Heizelement zu der Stelle, wodurch der Wärmesenkeneffekt der Verbindungsstelle entfällt. Die durch den in den Schichten 19,29 mit hohem Widerstand fließenden Strom entwickelte Wärmeenergie erhöht dann die Temperatur nahe den Anschlüssen 20, 21 schnell bis die Curie-Temperatur des Materials mit hohem Widerstand erreicht ist. Zu diesein Zeitpunkt ist die wirksame Hauttiefe entlang der gesamten Länge der Heizelementanordnung erhöht, so daß mehr Strom konstanter Amplitude durch die Substrate 17, 27 mit niedrigem Widerstand fließt und erheblich weniger Wärmeenergie durch Widerstandsheizung erzeugt wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 und 5 dargestellt, auf die jetzt besonders Bezug genommen wird. Bei dieser Ausführungsform weist der als Heizelementanordnung 40 dienende Trägerstreifen nur einen einzelnen Heizelementabschnitt auf, der ein Substrat 41 mit niedrigem Widerstand und eine magnetisch permeable Oberflächenschicht 43 mit hohem Widerstand umfaßt. Mehrere Anschlüsse 45 stehen von einem Längsrand der Heizelementanordnung 40 in einer beabstandeten Folgebeziehung vor. Die Abmessungen des Substrats 41 und der Oberflächenschicht 43, insbesondere die Dickenabmessungen, sind den oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen ähnlich. Die Stromrückführungsbahn für die Heizelementanordnung 40 ist durch ein Kupfer-Erdsammelstangen-Werkzeugteil 46 geschaffen, das in fluchtender Anlagebeziehung zu einer Oberfläche einer Isolationsschicht 47 eines Materials wie Kapton steht. Die gegenüberliegende Fläche der Isolationsschicht 47 steht in anliegender Beziehung zu der Oberflächenschicht 43 der Heizelementanordnung 40. Geeignete Klammern oder dergleichen können verwendet werden, um das Sammelstangenteil 46 und die Isolationsschicht 47 in ihrer Lage gegen die Anordnung 40 für eine Lötarbeit zu halten. Die Quelle 31 für den Wechselstrom konstanter Amplitude ist zwischen einem Längsende oder -punkt entlang der Anordnung 40 und dem entsprechenden Ende oder Punkt entlang der Werkzeugmassesammelstange 46 angeschlossen. Ein Kurzschlußverbindung 49 ist zwischen dem gegenüberliegenden Längsende oder -punkt entlang der Anordnung 40 und dem entsprechenden Ende oder Punkt entlang der Sammelstange 46 angeschlossen. Die mehreren Anschlüsse 45 sind mit jeweiligen mehreren elektrischen Leitungen in derselben Weise wie oben in Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1-3 beschrieben angeschlossen. Nach dem Anlöten werden die Anschlüsse 45 von der Heizelementanordnung 40 entlang der in geeigneter Weise vorgesehenen Kerb- oder Perforationslinien entfernt. Es ist ersichtlich, daß die Ausführungsform von Fig. 4 und 5 nur von einer einzigen Heizelementanordnung 40 mit einer einzigen Reihe von Anschlüssen 45 Gebrauch macht, während die Heizelementanordnung 10 der Fig. 1 von zwei Heizelementabschnitten je mit einer eigenen Reihe von Anschlüssen Gebrauch macht, wobei die beiden Reihen zur Optimierung des Abstands zwischen den Anschlüssen parellel geschaltet sind. In dieser Hinsicht und wie in dem obengenannten US-Patent 4 021 095 ausgeführt hängt der Abstand zwischen den Anschlüssen an einem Einzelträgerstreifen von der Größe und der Komplexität der Anschlüsse ab, die aus dem fortlaufenden Metallstreifen gestanzt und gebildet sind. Insbesondere wenn die dreidimensionale Konfiguration des Anschlußkörpers komplexer wird, wird die Menge des Metalls, das in dem Metallstreifen zur Bildung des Anschlusses verbraucht werden muß, größer. Wenn die Menge des verbrauchten Metalls größer wird, müssen ihrerseits die Anschlüsse entlang der Längsabmessung des Streifens weiter beabstandet sein. Häufig wird dieser Abstand übermäßig groß, da sich ein wesentliches Spiel und eine wesentliche Zusammenbauzeit ergibt, wenn die Anschlüsse während der automatischen Arbeitsgänge einzeln gerastet werden müssen. Die Ausbildung von zwei parallel geschalteten Reihen von Anschlüssen 20, 21, dies derart, daß jede Reihe von Anschlüssen mit dem Zweifachen des gewünschten Kontaktabstands gestanzt wird, derart, daß die Anschlüsse im parallel geschalteten Zustand sich daher auf dem gewünschten Kontaktabstand befinden (d.h. bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform), bietet klare Vorteile für bestimmte Anwendungen gegenüber der Ausführungsform, die nur von einer einzelnen Reine von Anschlüssen Gebrauch macht (d.h. die in Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsform).
Es auch einzusehen, daß die Heizelementanordnung 10 infolge der Verwendung von zwei Heizelementabschnitten die zweifache Heizkapazität der Anordnung 40 aufweist, die in Verbindung mit einer Rückführungssammelstange 46 mit niedrigem Widerstand verwendet wird. Des weiteren ist die Energieversorgung der Anordnung 10 erheblich einfacher, da es nicht notwendig ist, ein separates Werkzeug (beispielsweise die Elemente 46, 47 der Fig. 5) mit dem Heizelement zu verbinden; stattdessen wird die Anordnung 10 durch den Hersteller in einer solchen Weise hergestellt, daß jeder Heizelementabschnitt 13,15 als Stromrückführungsbahn für den anderen dient.
Bei der in Fig. 6 der beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Strom in einem selbstregulierenden Heizelement im Wege einer elektromagnetischen Induktion statt durch direkte Leitung entwikkelt. Das Heizelement 60 besitzt die Form eines länglichen (d.h. in der horizontalen Abmessung der Zeichnung) Substrats 61 aus Kupfer oder dergleichen, dessen einander gegenüberliegende Flächen mit jeweiligen Hautschichten 63, 65 aus einer magnetischen Legierung oder einem ähnlichen Metall beschichtet sind. Das Heizelement 60 besitzt mindestens eine Reihe von Anschlüssen, die dort (in Fig. 6 nicht sichtbar, sich jedoch in die Zeichnungsebene erstreckend) in dergleichen Weise befestigt sind, in der die Anschlüsse 45 an dem Heizelement 40 (Fig. 4) befestigt sind. Die Anschlüsse stehen in einer wärmeleitenden Beziehung zu dem Heizelement. Ein Werkzeugteil zur Aufbringung von Strom auf das Heizelement 60 verfügt über einen primären Leiter 67, der als länglicher Streifen aus Kupfer oder dergleichen ausgebildet und in einer U-förmigen Konfiguration gebogen ist. Die Innenflächen des Leiters 67 besitzen einen Streifen 69 aus elektrischem Isoliermaterial, das auf dem Leiter angeordnet ist und sich über den größten Teil der Länge desselben erstreckt. Bei der Benutzung ist das Heizelement 60 zwischen den Schenkeln des U-förmigen primären Leiters 67 angeordnet, und kann es entweder mittels eines Luftspalts gegenüber dem Isolationsstreifen 69 beabstandet sein (wie dargestellt), oder kann es den Isolierstreifen in bündiger anliegender Beziehung an jeder Oberflächenschicht 63, 65 berühren. In beiden Fällen ist das Heizelement 60 typischerweise in seiner Lage innerhalb des primären Leiters 67 durch geeignete Werkzeugbefestigungen (nicht dargestellt) festgehalten. Beispielsweise kann jede geeignete elektrische Isolierklammer, die an dem Streifen 67 befestigt ist, dazu geeignet sein, das Heizelement 60 innerhalb der Grenzen des primären Leiters abzustützen.
Im Betrieb ist die Quelle 31 für den Wechselstrom konstanter Amplitude an den distalen Enden des U-förmigen primären Leiters 67 angeschlossen. Dieser Leiter übernimmt die Funktion einer primären Wicklung eines Transformators, um Wirbelströme in dem Heizelementstreifen 60 zu induzieren, der als Sekundärwicklung dient. Die induzierten Wirbelströme haben, wie wohl bekannt ist, die Neigung, in Ebenen rechtwinklig zu dem durch den Primärstrom entwickelten Magnetfluß zu fließen. Der durch den primären Wechselstrom erzeugte Fluß in dem Leiter 67 ist rechtwinklig zu den Flächen des Heizelements 60 gerichtet; damit fließen die induzierten Wirbelströme in Ebenen parallel zu der Heizelementoberfläche. Die Wirbelströme unterliegen dem Hauteffektphänomen und konzentrieren sich daher in den Hautoberflächenschichten 63 und 65 mit hohem Widerstand bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur des Hautschichtmaterials. Die Amplitude des primären Stroms wird derart gewählt, daß die sich aus den Wirbelströmen in den Hautschichten ergebende Widerstandsheizung ausreicht, die aus dem Heizelement 60 vorstehenden Anschlüsse auf die zum Schmelzen des an den Verbindungsstellen aufgebrachten Lötmaterials erforderliche Temperatur aufzuheizen. Nach der Lötarbeit können die Anschlüsse von der Heizelementanordnung in der oben beschriebenen Weise abgetrennt werden. Die Ströme können auch in der Heizelementanordnung 60 mittels einer primären Schaltung elektromagnetisch induziert werden, die über eine Anzahl von Wicklungen eines um das Heizelement gewickelten Drahtes mit einer zwischen dem Heizelement und den Drahtwicklungen vorgesehenen Isolation oder einem entsprechend vorgesehenen Luftspalt verfügt. Die elektromagnetische Induktion des Heizstroms kann auch mittels der in dem US-Patent 4 745 264 (Carter) beschriebenen Transformatorkonfiguration bewirkt werden.
In Fig. 7 und 8 ist eine selbstregulierende Heizelementanordnung 50 in der Form eines Trägerstreifens dargestellt, von dem aus sich eine Vielzahl von Anschlüssen 51 in beabstandeter Beziehung erstreckt. Der Heizelementkörper 50 dieser Ausführungsform umfaßt ein einzelnes Substrat 53 aus Kupfer oder dergleichen mit magnetischen Hautschichten 55 und 57, die an seinen beiden gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind. Die Anschlüsse 51 stehen typischerweise aus dem Substrat vor und werden in der oben beschriebenen Weise durch Hindurchführen eines Wechselstroms konstanter Amplitude von der Quelle 31 aus beheizt, die über der Länge des Heizelementkörpers angeschlossen ist. Die Anschließungen an dem Heizelementkörper für die Quelle können an irgendeiner der drei Schichten 53, 55 oder 57 vorgesehen sein. Die Anschlüsse 51 sind von der Heizelementanordnung 50 entlang von Kerblinien 59 leicht abtrennbar, nachdem die Lötarbeit abgeschlossen ist.
Die Verwendung von zwei magnetischen Hautschichten 55 und 57 anstelle von nur einer solchen Schicht macht das Merkmal der Selbstregulierung des Heizelements wirksamer. Insbesondere, es sei denn der Stromfluß wird anderweitig erzwungen, neigt der Hauteffekt dazu, den Strom an allen Oberflächen des Substrats zu konzentrieren und nicht nur an der Oberfläche, an der die magnetische Hautschicht angeordnet ist. Wenn das magnetische Material nur an einer Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, leistet somit der Stromfluß in der Hauttiefe des Materials mit niedrigem Widerstand an den anderen Oberflächen keinen erheblichen Beitrag zu der gewünschten Widerstandsheizung, und ist dieser Strom daher im wesentlichen verschwendet. Darüber hinaus erfährt dieser Strom keine Stromverteilungsveränderung (d.h. eine Vergrößerung der Hauttiefe) bei der Curie-Temperatur des magnetischen Materials, und leistet dieser Strom daher auch keinen Beitrag zur Selbstregulierung der Temperatur. Wenn das Substrat einen quadratischen Querschnitt in Querrichtung hätte und zwei Oberflächen eine magnetische Hautschicht hätten, würde die gewünschte Betriebsweise nicht wirksam erreicht. Idealerweise sollten daher alle Oberflächen des Substrats mit der magnetischen Hautschicht beschichtet sein, um den maximalen Vorteil des Phänomens der thermischen Selbstregulierung zu bieten. Aus praktischer Sicht dient ein Substrat mit einem rechteckigen Querschnitt und einer Breite sehr viel größer als seine Tiefe in wirksamer Weise als selbstregulierendes Heizelement, wenn nur zwei größere Oberflächen mit der magnetischen Hautschicht versehen sind. Beispielsweise sollte das Substrat 53 typischerweise eine Breite aufweisen, die mindestens 50 mal größer als seine Tiefe oder Dicke ist. Bei Anwendungen, bei denen der Strom im wesentlichen zum Fließen entlang einer Oberfläche gezwungen ist, wie dann, wenn ein elektrisches Feld zwischen den Heizelementabschnitten 13 und 15 (Fig. 3) ausgebildet wird, wird selbstverständlich eine wirksame Selbstregulierung erreicht, wenn nur diese Fläche mit der magnetischen Hautschicht versehen ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die anzulötenden verschiedenen Drähte mit ihren freigelegten Enden in den Anschlußlötmateriamulden angeordnet dargestellt. Es ist auch möglich, die vorliegende Erfindung dazu zu verwenden, freigelegte mittlere Bereiche von abgeschirmten Drähten an den Anschlüssen anzulöten. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 9 dargestellt, wo die selbstregulierende Heizelementanordnung 70, die irgendeine der hier beschriebenen Heizelementanordnungen sein kann, sich von dort erstreckende Mehrfachanschlüsse 71 aufweist. Jeder Anschluß 71 besitzt einen Lötmaterialmuldenbereich 73, der zwischen seinen proximalen und distalen Enden angeordnet ist, und ist etwa unter einem rechten Winkel an einer Stelle zwischen seinem distalen Ende und der Lötmaterialmulde 73 abgebogen. Kerblinien 75 an den proximalen Enden des Anschlusses erleichtern das Entfernen des Anschlusses von dem Heizelementkörper 70 nach der Lötarbeit. Die anzulötenden Drähte 76 sind an einer mittleren Stelle entlang ihrer Länge abisoliert, um freigelegte Drahtbereiche 78 zu bilden, die vor einer Lötarbeit in jeweiligen Lötmatenalmulden 73 angeordnet werden. Wenn Strom durch diese selbstregulierende Heizelementanordnung in der oben beschriebenen Weise hindurchgeführt wird, schmilzt das Lötmaterial, das in der Lötmaterialmulde zuvor aufgebracht worden ist, oder an freigelegten Drahtbereichen 78, und verfestigt sich dann das Lötmaterial, nachdem der Stromfluß beendet worden ist. Das Anschließen von mittleren Drahtbereichen 78 macht es möglich, daß unterschiedliche Bereiche desselben Drahtes an unterschiedlichen Verbindungsstellen entlang der Drahtlänge angelötet werden. Diese Art der Anschließung wird gelegentlich als eine "Verkettung" bezeichnet.
Gemäß Fig. 10 sind erste und zweite selbtregulierende Heizelementanordnungen 80 und 85 an gegenüberliegenden Seiten einer Sammelstange 89 angeordnet. Die Heizelementanordnung 80 besitzt ein Substrat 81 und eine magnetische Hautschicht 82. Ein oder mehrere Anschlüsse (nicht dargestellt, jedoch ähnlich den Anschlüssen 20 der Fig. 1) erstrecken sich von dem Substrat und/oder der Hautschicht aus. Die Heizelementanordnung 85 besitzt ein Substrat 86, eine magnetische Hautschicht 87 und einen oder mehrere mit den Anschlüssen der Heizelementanordnung 80 parallel geschaltete Anschlüsse. Die Hautschicht 82 ist fluchtend gegen eine Oberfläche einer Isolierschicht 83 angeordnet, deren andere Oberfläche gegen eine Oberfläche der Sammelstange 89 anliegt. Die Hautschicht 87 ist fluchtend gegen eine Oberfläche einer Isolierschicht 88 angeordnet, deren andere Oberfläche gegen eine zweite Oberfläche der Sammelstange 89 anliegt. Zur Durchführung einer Lötarbeit wird eine Quelle 31 eines Wechselstroms mit konstanter Amplitude zwischen den einander gegenüberliegenden Längsenden der Heizelementanordnungen 80 und 85 angeschlossen. Ein Draht oder eine andere Kurzschlußverbindung 90 ist zwischen dem zweiten Ende der Heizelementanordnung 80 und einem Ende der Sammelstange 89 angeschlossen; eine zweite Kurzschlußverbindung 91 ist zwischen dem zweiten Ende der Heizelementanordnung 85 und dem zweiten Ende der Sammelstange 89 angeschlossen.
Die Heizelementanordnungen 80, 85 und die Sammelstange 89 sind somit in Reihenschaltung an der Quelle 31 angeschlossen. Als Folge dieser Anschließungen fließt der durch die Sammelstange 89 hindurchfließende Strom jederzeit in einer Richtung in Längsrichtung entgegengesetzt der Richtung des Stromflusses durch jede der Heizelementanordnungen 80 und 85. Die sich ergebenden elektrischen Felder werden dadurch zwischen der Sammelstange 89 und jeder der jeweiligen Heizelementanordnungen 80, 85 ausgebildet, wodurch sichergestellt wird, daß der Stromfluß durch die Heizelementanordnungen in den nahen Hautschichten 82, 87 mit hohem Widerstand konzentriert wird, statt durch die fernen Substrate 81, 86 niedrigen Widerstands zu fließen. Demzufolge wird eine erhebliche größere Widerstandsheizung für die Lötarbeit bewirkt.
Die Ausführungsform der Fig. 11 macht von der gleichen Struktur wie die Ausführungsform der Fig. 10 Gebrauch, jedoch sind die Anschließungen solche, daß die Heizelementanordnungen 80, 85 parallel statt in Reihe geschaltet sind. Insbesondere ist ein Ende der Quelle 31 an jeder der Heizelementanordnungen 80, 85 an einem Ende der Einheit angeschlossen. Die andere Seite der Quelle 31 ist an der Sammelstange 89 an demselben Ende der Einheit angeschlossen. Eine Brücke 95 verbindet die gegenüberliegenden Enden jedes der Heizelemente 80, 85 mit dem gegenüberliegenden Ende der Sammelstange 89. Als Folge dieser Anschließungen fließt der durch die Sammelstange 89 hindurchtretende Strom jederzeit in einer Richtung in Längsrichtung entgegen der Richtung des durch jede der Heizelementanordnungen 80 und 85 hindurchfließenden Stroms. Die sich ergebenden elektrischen Felder werden dadurch zwischen der Sammelstange 89 und jeder der zugehörigen Heizelementanordnungen 80, 85 ausgebildet, wodurch sichergestellt wird, daß der durch die Heizelementanordnungen fließende Strom in den nahen Hautschichten 82, 87 hohen Widerstands konzentriert wird, statt durch die fernen Substrate 81, 86 niedrigen Widerstands zu fließen.
Die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform besitzt eine Heizmittelanordnung 100 des gleichen allgemeinen Typs wie die Anordnung 10, die oben in Hinblick auf Fig. 1 beschrieben worden ist, und verfügt über mehrere beabstandete mit mehreren beabstandeten Anschlüssen 103 parallel geschaltete Anschlüsse 101. Die Anschlüsse sind teilweise in ein Verbindergehäuse 105 eingesetzt. Es ist häufig für einen Verbinderhersteller zweckmäßig, Verbinder mit einzelnen Anschlüssen zu verkaufen, die in jeweiligen Kontaktaufnahmedurchgängen eines Verbindergehäuses aufgenommen und befestigt sind. Die Anschlüsse, die im Stand der Technik von ihrem Trägerstreifen vor der Leferung an den Kunden abgetrennt sind, werden durch den Kunden an geeigneten Drähten oder Leitungen angelötet und dann weiter in ihre jeweiligen Durchgänge hineingedrückt, um darin eine endgültige Stellung einzunehmen. Erfindungsgemäß kann der Verbinder mit den parallel geschalteten Anschlüssen 101, 103 verlötet werden, die in jeweilige Durchgänge des Gehäuses 105 teilweise eingesetzt sind, wobei jedoch der Trägerstreifen 100, der als Heizelementanordnung dient, noch intakt ist. Der Kunde kann dann eine Lötarbeit durchführen, indem er eine Quelle 31 an den beiden Heizelementeinheiten der Anordnung 100 anschließt, um die einzelnen Drähte gleichzeitig an den Anschlüssen anzuschließen. Nach der Lötarbeit werden die Anschlüsse vom Trägerstreifen entlang geeigneter Kerblinien oder dergleichen abgetrennt und dann vollständig in ihre endgültigen Stellungen in dem Gehäusedurchgang eingesetzt. Es ist einzusehen, daß jede der hier beschriebenen Ausführungsformen von Heizelementanordnungen in Verbindung mit dem besonderen Endgebrauch verwendet werden kann, der mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben ist.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform besitzt ein Heizelementkörperanschluß 110 die Form eines Kupfer-, Kupferlegierungs- oder dergleichen Ansatzes 111, der mit einer Öffnung ausgestattet oder anderweitig konfiguriert ist, um ihn mechanisch an einen Verbinder, einer Anschlußplatte oder einer ähnlichen leitenden Einrichtung mechanisch befestigen zu können. Eine oder beide Flächen des Ansatzes ist bzw. sind mit einer geeigneten, oben beschriebenen, magnetischen Hautschicht versehen. Eine ringförmige Kupfer-, Kupferlegierungs- oder dergleichen Hülse 113 ist einstückig mit dem Ansatz 111 ausgebildet und in Hinblick darauf bemessen, eine von ihrer Isolation befreite Spitze 115 eines elektrischen Drahtes 117 konzentrisch und eng aufzunehmen. Entweder die innere Oberfläche der Hülse 113 oder der Spitze 115 des Drahtes oder beide besitzen ein darauf zuvor aufgebrachtes Lötmaterial 9. Der Ansatz ist mit einer oder mehreren Wicklungen eines elektrisch isolierten Drahts umgeben, der eine primäre Wicklung 119 bildet. Um ein Lötarbeit auszuführen, wird ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude von der Quelle 31 aus durch die primäre Wicklung hindurchgeführt, und induziert dieser Wechselstrom Wirbelströme in dem Ansatz, wodurch dieser in Reaktion auf die Wirbelströme die Funktion eines selbstregulierenden Heizelements übernimmt. Die durch die Wirbelströme erzeugte Wärmeenergie wird an die Hülse 113 weitergeleitet, wo sie das zuvor aufgebrachte Lötmaterial aufschmilzt, um die Hülse an der Drahtspitze zu befestigen. Jedes ansatzartige Heizelement ist somit einzeln durch seine eigene primäre Wicklung mit Energie versorgt und von dieser Wicklung nach einer Lötarbeit entfernbar, so daß es an einer Anschlußplatte oder dergleichen mit seinem angeschlossenen Draht 117 befestigt werden kann. Alternativ kann die primäre Wicklung in Hinblick darauf konfiguriert sein, als ein permanenter Teil des Anschlusses und der sich ergebenden Lötverbindung erhalten zu bleiben.
Die vorstehend mit Bezug auf Fig. 1-14 beschriebenen Heizelemente sind alle selbstregulierende Heizelemente; d.h. die Heizelemente machen Gebrauch von der Kombination des Hauteffekts und der Curie-Temperatur, um eine selektiv lokalisierte und temperaturregulierte Heizung zur Einwirkung zu bringen.
Es ist einzusehen, daß die hier für die verschiedenen Heizelementanordnungen dargestellte rechteckige Streifenkonfiguration besonders brauchbar ist, wenn die Heizelementanordnung als Trägerstreifen für die von dort vorstehenden verschiedenen Anschlüsse dient. Es ist jedoch zu beachten, daß die hier beschriebene Erfindung in ihrem Konzept dadurch etwas weiter geht, daß die Heizelementanordnung, von der aus die Anschlüsse vorstehen, nicht als Trägerstreifen dienen muß. In dieser Hinsicht kann die Heizelementanordnung im wesentlichen jegliche Gestalt und Form besitzen und im wesentlichen jede Art eines Heizelements umfassen, daß mit den hier beschriebenen Prinzipien vereinbar ist. Obwohl jede der Ausführungsformen Anschlüsse aufweist, die sich von einem gemeinsamen Rand einer Heizelementanordnung aus erstrecken, ist gleichfalls einzusehen, daß sich die Anschlüsse in einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen von dem Heizelement aus erstrecken können und eine Vielzahl von Gestalten, Größen, Biegungen und dergleichen aufweisen können; das wichtige Merkmal jeder Konfiguration besteht darin, daß die Anschlüsse in einer thermisch leitenden Beziehung zu dem Heizelementkörper stehen.
Obwohl wie vorstehend angegeben sich die hier gegebene Beschreibung auf die vorzeitige Aufbringung von Lötmaterial auf dem Draht oder den Anschlüssen bezieht, können statt Lötmaterial andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise sind verschiedene leitende Klebemittel und Pasten im Handel erhältlich, und werden diese als Suspensionen von Metallpulver in einem thermisch härtenden Kunststoff hergestellt. Die verwendeten Metallpulver sind typischerweise Silber, Gold, Kupfer und Aluminium, während der klebende Kunststoff im allgemeinen ein Epoxiharz ist. Die Schmelztemperaturen und Eigenschaften dieser Materialien sind gut bekannt.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß es für Anwendungen, bei denen Lötmaterial als schmelzbares Material verwendet wird, normalerweise notwendig ist, ein geeignetes Flußmaterial zum Zwecke der Benetzung und Reinigung der Kontakte zu verwenden. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung kann das Flußmaterial Teil einer Mischung aus einem Lötmaterial und einem Flußmaterial sein, die auf den Anschlüssen oder Drähten zuvor aufgebracht wird; oder das Flußmaterial kann zum Zeitpunkt des Lötens separat aufgebracht werden; oder die Lötmaterial/Flußmaterial-Mischung, in der Form herkömmlicher Cremes, Pasten oder Flüssigkeiten, kann auf die Verbindungsstelle zum Zeitpunkt des Lötens aufgebracht werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung eine neue Vorrichtung zur Bewirkung von Mehrfachlötverbindungen gleichzeitig zwischen Mehrfachanschlüssen und elektrischen Mehrfachleitungen zur Verfügung stellt, wobei die elektrisch und thermisch leitenden Anschlüsse die Wärmeenergie von einem Heizelementkörper an die Verbindungsstelle liefern und dann von dem Heizelementkörper abtrennbar sind, um als ein permanenter Teil jeder gelöteten Verbindung zu verbleiben.

Claims

1. Lötvorrichtung zur Erleichterung der Anschließung eines elektrischen Leiters an einem jeweiligen Anschluß an einer Verbindungsstelle, der Art, die ausreichende Wärmeenergie zum Schmelzen einer vorbestimmten Menge eines schmelzbaren, elektrisch leitfähigen Materials an der Stelle liefert, wobei die Lötvorrichtung einen selektiv betätigbaren Heizkörper (10, 40, 50, 60, 70) zum Zuführen der mindestens ausreichenden Wärmeenergie aufweist, der Heizkörper ein Substrat (17, 27, 41, 51, 61) aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material mit einem verhältnismäßig niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und einer verhältnismäßig niedrigen magnetischen Permeabilität, wobei das Substrat eine erste Oberfläche besitzt, und eine dünne Oberflächenschicht (19, 29, 43, 53, 63, 65) aus einem elektrisch leitfähigen zweiten Material aufweist, die auf mindestens einem Bereich der ersten Oberfläche angeordnet ist, wobei das zweite Material einen spezifischen elektrischen Widerstand, der größer als der des ersten Materials ist, und eine magnetische Permeabilität aufweist, die bei Temperaturen unterhalb seiner Curie-Temperatur im wesentlichen größer als die relativ niedrige magnetische Permeabilität und bei Temperaturen oberhalb seiner Curie-Temperatur im wesentlichen dieselbe wie die relativ niedrige magnetische Permeabilität ist, wobei die Lötvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Anschluß einer Vielzahl von Anschlüssen (20, 21) anfänglich strukturell einstückig mit einem gemeinsamen Heizkörper (10, 40, 50, 60, 70) an beabstandeten Stellen ausgebildet ist und in thermisch leitfähiger Beziehung mit diesem steht, wobei jeder Anschluß (20, 21) einen Wärmeenergieleitweg von dem Heizkörper zu der jeweiligen Verbindungsstelle aufweist, so der Heizkörper Wärmeenergie an eine Vielzahl der Verbindungsstellen liefert, was das gleichzeitige Anschließen einer Vielzahl von elektrischen Leitern (30) an die jeweiligen Anschlüsse gleichzeitig ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch Energielieferungsmittel zum selektiven Hindurchführen eines Wechselstroms durch den Heizkörper und den Leitweg bei einer im wesentlich feststehenden Amplitude, die ausreicht, die Oberflächenschicht des zweiten Materials auf ihre Curie-Temperatur innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitintervalls und bei einer solchen Frequenz aufzuheizen, daß der Strom in dem Gebiet des genannten Bereichs der ersten Oberfläche in der Oberflächenschicht konzentriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse von Stellen des Heizkörpers nahe dem genannten Bereich der ersten Oberfläche aus vorstehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse je einen sich quer erstreckenden, perforierten Bereich (24, 25, 59) aufweisen, um das Abtrennen des Anschlusses von dem Heizkörper zu erleichtern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material Kupfer umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Eisen umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material Nickel umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energielieferungsmittel eine Stromrückführungsbahn und ein Liefereinrichtung aufweist, und wobei die Stromrückführungsbahn (15, 46, 59) eine Rückführungssammelschiene und elektrisch leitfähige Mittel aufweist, die den Heizkörper mit der Sammelschiene verbinden, wobei die Vorrichtung weiter über eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material verfügt, die zwischen der Oberflächenschicht und der Sammelschiene und in bündiger anstoßender Berührung mit diesen angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungssammelschiene ein integraler Bereich des Substrats ist, der auf die Schicht des elektrisch leitfähigen Materials gefaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückführungsbahn gekennzeichnet ist durch einen zweiten Heizkörper (15) mit einem zweiten Substrat (27) aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material, wobei das zweite Substrat eine erste Oberfläche, eine zweite dünne Oberflächenschicht (29) aus dem zweiten Material, die an mindestens einem ersten Bereich der ersten Oberfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, ein elektrisch leitfähiges Mittel (33), das die ersten und zweiten Heizkörper in Reihe verbindet, und eine zweite Schicht aus einem elektrischen Isoliermaterial (11) aufweist, die zwischen den zweiten Oberflächenschichten und in bündiger anstoßender Berührung mit diesen angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Verbindergehäuse eine Vielzahl von Anschlußaufnahme-Durchlässen aufweist, die zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschluß der Vielzahl von elektrischen Anschlüssen anfänglich teilweise innerhalb eines jeweiligen Durchlasses in der Vielzahl von Anschlußaufnahme-Durchlässen vor der Betätigung des Heizkörpers angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektrische Anschluß ein von dem Heizkörper entfernt gelegenes distales Ende aufweist, und wobei jeder der Anschlüsse eine Biegung von etwa einem rechten Winkel an einer Stelle zwischen dem vorgeschriebenen Abschnitt und dem distalen Ende aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine zweite Oberfläche aufweist, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper eine zweite dünne Oberflächenschicht aus dem zweiten Material aufweist, die an mindestens einem Bereich der zweiten Oberfläche angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschluß (20, 21) einen kanalförmigen Bereich (22, 23) aufweist, an dem ein jeweiliger Leiter (30) aus einer Vielzahl von elektrischen Leitern vor der Betätigung des Heizkörpers angeordnet ist, wodurch eine jeweilige Verbindungsstelle definiert ist.